在TFT-LCD領(lǐng)域　有任何取代AMLCD制程的技術(shù)嗎？

W. den Boer, G. S. Smith, W. C. Wang, L. Lin, H. Kang, S. J. Chen, C. M. Huang

為了進(jìn)一步降低液晶顯示器面板制造成本，許多主動式矩陣液晶顯示器(AMLCD)面板廠商正致力于開發(fā)足以取代昂貴的薄膜晶體管數(shù)組制程(TFT array)，而本篇文章將逐一檢視幾個具有潛力的制程取代技術(shù)。

　非晶硅(a-Si)薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCDs)已經(jīng)成功的應(yīng)用在許多的平面顯示器上，從小型移動電話以至于大型電視機(jī)。為了增加這方面商機(jī)的利潤，AMLCD廠商必須在先進(jìn)的平面顯示器制程設(shè)備上投入大筆資金。這些資金大多投注在四或五道光罩制程以及最少蒸鍍七層膜之薄膜晶體管數(shù)組(TFT array)制程上。為了降低成本以及進(jìn)一步減少制程復(fù)雜度，許多業(yè)者不斷的發(fā)展新技術(shù)。舉例來說，目前已經(jīng)有業(yè)者提出三道光罩制程的剝離制程(lift-off process)[1]以及激光刻蝕顯影技術(shù)來消除氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)像素的每一個微影(lithography)步驟。然而，三或四道光罩用于大面積制作的制程條件(process window)相當(dāng)?shù)膰?yán)苛，而且將對制程特性產(chǎn)生沖擊。因此，以四道或更少的光罩步驟制造薄膜晶體管數(shù)組(TFT array)尚未廣泛被采用，而這也衍生了一個問題，那就是有任何更為簡單且更低成本的制程技術(shù)可以取代現(xiàn)今用在主動式矩陣液晶顯示器(AMLCDs)的薄膜晶體管(TFTs)制程方法嗎？

有任何可取代的制程技術(shù)嗎？
　主動式數(shù)組背光板用途在于精確地把數(shù)據(jù)電壓傳遞到液晶(LC)像素，然后維持像素電壓直到下一個訊號更新。比起TFT背光型面板，我們相信這些目的可藉由更簡單的像素電路及制程達(dá)到像薄膜晶體管(TFT)的效果。就結(jié)構(gòu)設(shè)計上而言，非線性電容器或薄膜二極管(thin-film diode，TFD)比起TFT來說簡單許多，且可以用二或三道光罩步驟及三道鍍膜程序完成[2]。薄膜二極管液晶顯示器(TFD-LCDs)在市場上存在已經(jīng)超過20年[3]，典型的TFD-LCDs在每個像素中有一個薄膜二極管(TFD)，且在反向基板上配有訊號線(data lines)。在這個像素電路中，液晶電容與薄膜二極管(TFD)串聯(lián)在一起，而這缺點在于任何橫跨顯示畫面的二極管特性變化(隨著溫度或操作時間)將會改變跨越液晶(LC)的電壓，甚至于像素的灰階。除此之外，電阻－電容(RC)在單一的二極管LCDs延遲了列向訊號線(row lines)而造成亮度衰減，單一二極管(Single-diode)的液晶顯視器(LCDs)，也稱為金屬-絕緣體-金屬(Metal-insulator-metal，MIM)二極管 LCDs因此只能用在有限灰階數(shù)的小型顯示器上。

　雙重掃描二極管(Dual-Select Diode，DSD) 像素電路結(jié)構(gòu)解決了這些問題，圖一的DSD-AMLCD剖面圖具有兩條橫向像素掃描線(select lines)，透過薄膜二極管(TFDs)或非線性電阻聯(lián)結(jié)到每一個畫數(shù)電極。每個像素具有兩個二極管的電路會抵消二極管隨著時間、溫度及整個顯示畫面的變化，也大為補(bǔ)償了掃描線(select lines)上RC延遲的問題，因而極具潛力套用在對角尺寸至少40吋的大面積顯示器[4]。

　類似于薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)，雙重掃描二極管液晶顯示器(DSD-LCD)會在某時間下尋址掃描線，而列方向像素掃描分別同時施加大約+15V及-15V反向極性脈沖于S1及S2掃描線，產(chǎn)生ITO像素電極電壓偏移(Vs1+ Vs2 )/2，同時，灰階訊號電壓會施加到彩色板上的ITO數(shù)據(jù)在線。當(dāng)掃描的脈沖終止時，非線性電阻(TFDs)會停止傳導(dǎo)，而且訊號電壓會正確的儲存在液晶電容器。唯獨(dú)相同像素間的兩個二極管會具有相同的電流-電壓特性，這屬于正?，F(xiàn)象，因為在一個像素間的二極管大部份只有相隔幾百微米，而且具有相同的膜厚、溫度及老化過程(aging history)，整個顯示畫面中大范圍薄膜二極管(TFDs)的操作變化(操作時間或溫度)對于像素的灰階只會有些許影響，甚至是毫無沖擊，這因為電路中的兩個二極管自動抵消了這些參數(shù)變化的結(jié)果。

低光罩?jǐn)?shù)數(shù)組制程 (Low-Mask-Count Array Process)
　雙重掃描二極管(DSD)主動式矩陣背光板可以利用二或三道光罩步驟制造，如圖一所示的二極管剖面圖。許多非線性導(dǎo)電材料，諸如多硅成份的氮化硅(SiNX)、五氧化二鉭(Ta2O5)以及類似鉆石的石墨都可用來制作非線性電阻器。其中氮化硅(SiNX)尤其引人矚目，原因在于標(biāo)準(zhǔn)等離子化學(xué)氣像沉積設(shè)備常用于TFT-LCDs非晶硅(a-Si)及氮化硅。在三道光罩制程中，第一道圖形描繪出ITO像素及二極管的下電極，接著鍍上SiNX層并圖樣化，最后鍍上金屬并以三道光罩形成掃描線(select lines)以及二極管的上電極。在兩道光罩制程中，氮化硅(SiNX)及金屬層的圖樣化合并在光微影刻蝕(photolithography)步驟進(jìn)行，這技術(shù)也可以將制程順序顛倒，先蒸鍍及圖樣化金屬導(dǎo)電層，最后再處理ITO像素。

二極管特性及液晶模式 (Diode Characteristics and LC Modes)
　圖二中乃是氮化硅(SiNX)二極管之非線性電阻特性量測曲線，數(shù)據(jù)主要是改變SiNX中的x值，而x值是藉由調(diào)整硅甲烷(SiH4)及氨氣(NH3)在等離子化學(xué)氣相沉積(plasma chemical-vapor-deposition，CVD)制程中的比例獲得。該二極管組成包含鋁金屬下電極及透明導(dǎo)電ITO上電極，藉由改變二極管內(nèi)部薄膜(大約10×10mm)的氮/硅(N/Si)組成比例，開及關(guān)電流可以為主動式矩陣液晶顯示器(AMLCDs)的開關(guān)應(yīng)用而量身制作，即關(guān)閉的電流在±5V時可以達(dá)到微微安培(picoampere)范圍，而開啟的電流在±15V可以超過0.1mA，而這種非線性的電性行為被認(rèn)定是普爾-夫倫克爾發(fā)射(Poole-Frenkel)效應(yīng)所造成的物理現(xiàn)象。

　有趣的發(fā)現(xiàn)是有些最早期的AMLCDs發(fā)展中，每一個像素是以氧化鋅(ZnO)陶瓷制的非線性電阻器(或稱為變阻器(varistors))作為開關(guān)[5]，但該技術(shù)無法成功的商業(yè)化的理由之一乃是非透明的陶瓷基板與穿透式的LCDs不相容。氧化鋅(ZnO)陶瓷制的變阻器(varistors)在突波抑制電路(surge-suppression circuitry)上的應(yīng)用已存在好一段時間了。但自從薄膜晶體管(TFTs)以氧化鋅(ZnO)作為半導(dǎo)體層時展現(xiàn)出不錯的效率后，目前的氧化鋅(ZnO)薄膜濺鍍制程應(yīng)用便持續(xù)增加。

　然而，考慮到氧化鋅(ZnO)原本是套用在電子組件上作為非線性電阻，而氧化鋅(ZnO)薄膜在垂直夾集式開關(guān)(vertical sandwich-type switches)或側(cè)邊間隔式開關(guān)(lateral gap-type switches)是否也能作為AMLCDs的開關(guān)材料呢？假如后者的功能是可行的，那么以一道光罩制程套用在DSD AMLCDs則是可以預(yù)期的，而當(dāng)中地毯式(blanket)的半導(dǎo)體氧化鋅(ZnO)薄膜是仿造圖形化的透明導(dǎo)體（如ITO）。ITO掃描線與ITO像素電極之間相隔幾微米的間距可作為主動式矩陣背光板之非線性電阻器。[!--empirenews.page--]

　圖一所顯示的架構(gòu)包括了扭轉(zhuǎn)向列型液晶(twisted-nematic liquid-crystal，TN-LC)模式以及各種廣視角液晶模式，諸如多象限垂直配向技術(shù)(multidomain vertical alignment，MVA)或圖形化垂直排列模式(patterned vertical alignment，PVA)。藉由訊號線移到主動式矩陣排列(active-matrix array)，橫向電場切換模式(in-plane-switching，IPS)就可以套用在薄膜二極管液晶顯示器(DSD-LCDs)上。

原型顯示器
　數(shù)年前，原型扭轉(zhuǎn)向列型－重掃描二極管－主動式矩陣液晶顯式器(prototype TN-DSD-AMLCDs)曾在光學(xué)影像系統(tǒng)公司(OIS Optical Imaging Systems)生產(chǎn)過，以及最近在勝華科技股份有限公司(Wintek Corp. Images)也把相同原型做在10.4吋VGA DSD原型及小型移動電話DSD顯示器(如圖三所示)。這些顯示器的對比度(contrast ratio)超過200：1，而且展現(xiàn)出262,000以上色彩，其效能(包括反應(yīng)時間)皆相似于相同液晶材料所做成的薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)，與TFT-LCD并列比較時，觀眾大致上無法辨別出其中的差異。

制程比較
　在表一中，四道光罩的薄膜晶體管(TFT)制程步驟與兩道光罩的雙重掃描二極管數(shù)組(DSD-array)制程相比較。
雙重掃描二極管(DSD)制程非常簡單，且具有較高的產(chǎn)量以及更少光罩?jǐn)?shù)的優(yōu)點。相較于非晶硅薄膜晶體管(a-Si TFT)制程方面，雙重掃描二極管(DSD)制程中的等離子化學(xué)氣相沉積(plasma CVD)方法減少了各層膜的總厚度達(dá)八個單位，刻蝕次數(shù)也有明顯的減少，雙重掃描二極管數(shù)組(DSD array)設(shè)計更決定了顯示器及像素尺寸大小[5]；舉例來說，在30吋顯示器中，最小外觀尺度達(dá)到30mm而覆蓋誤差(overlay tolerance)則是10mm，促成更低成本圖樣化技術(shù)的利用。

　在Display-Search[6]的市場穩(wěn)定度調(diào)查(market-research-firm)研究中歸納出雙重掃描二極管數(shù)組(DSD arrays)的LCD模塊加工成本會比非晶硅薄膜晶體管數(shù)組(a-Si TFT arrays)模塊低20%，這樣的差異主要在于數(shù)組制程的投資資本額低了60-70%。該研究推測產(chǎn)能至少會像非晶硅薄膜晶體管液晶顯示器(a-Si TFT LCDs)制程一樣好。

掃描裝置共享(Shared Select Configuration)
　圖一電路架構(gòu)中的每一個橫向像素需要搭配兩條掃描線(select lines)，然而額外添加的掃描線會沖擊到像素開口大小(pixel aperture)，并且增加兩倍的橫向聯(lián)結(jié)器(interconnects)數(shù)目，不過該問題可藉由圖四所示的掃描線共享(shared select line)電路設(shè)計而獲得解決。該設(shè)計中，每一條掃描線透過非線性電阻聯(lián)結(jié)到像素電極的上方及下方。[7]

　在這架構(gòu)中，對于每一個橫向重迭的反向極性掃描脈沖(opposite-polarity select pulses) 大約是掃描一條線的時間，當(dāng)外圍的總線線(bus lines)同時開啟時，橫向電路就會被掃描，這是可以用電路仿真來表示，藉由正確的訊號電壓極性(polarity)，當(dāng)橫向漏電流被掃描時，經(jīng)由先前橫向二極管的漏電流可以被忽略。掃描線共享(shared select-line)的設(shè)計方法增加了像素開口大小(aperture)并藉由消減50%的掃描線以減少聯(lián)結(jié)器(interconnects)數(shù)目。

總結(jié)
　原型雙掃描二極管-主動式矩陣液晶顯示器(prototype DSD-AMLCDs)已經(jīng)用在小型手提式電子產(chǎn)品及大面積顯示器的應(yīng)用。DSD-AMLCD運(yùn)用非常低成本的二或三道光罩步驟主動式數(shù)組制程以及僅需約40秒的單一等離子輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)步驟制程，當(dāng)微影刻蝕(lithography)及等離子輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備被列入AM-LCD生產(chǎn)線主要的設(shè)備開支時，采用DSD技術(shù)會使得數(shù)組制程的投資資本額減少60%，且推測產(chǎn)能與非晶硅薄膜晶體管數(shù)組(a-Si TFT arrays)制程相似。針對大型雙重掃描主動式矩陣液晶顯示器(DSD AMLCDs)，該設(shè)計主導(dǎo)了像素及顯示器尺寸大小[5]，利用低分辨率微影技術(shù)、無光罩圖樣化技術(shù)(maskless patterning)或噴墨成形(ink-jet patterning)進(jìn)一步降低圖樣化成本。雙重掃描二極管(DSD)技術(shù)成功的關(guān)鍵將是可靠性非線性電阻器以三或更少鍍膜層以及三或更少的圖樣化步驟之簡單制程的再現(xiàn)性。這方面的技術(shù)發(fā)展正由幾家主動式矩陣液晶顯示器(AMLCDs)面板業(yè)者開發(fā)中。

參考文獻(xiàn)
1. S. S. Yoo, H. L. Cho, O. N. Kwon, S. H. Nam, Y. G. Chang, K. Y. Kim, S. Y. Cha, B. C. Ahn, and I. J. Chung, " The Fabrication of TFTs for LCDs Using the Three-Mask Process," Proc. IMID, 948-951 (2005).
2. Z. Yaniv and W. den Boer, "Addressing AMLCDs with Two-Terminal Switches," Proc. EuroDisplay, 164-169 (1990).
3. H. Ohshima and S. Morozumi, "An MIM LCD with Improved TV Performance," SID Symposium Digest Tech. Papers 21, 518-521 (1990).
4. W. den Boer and G. S. Smith, "Dual-Select-Diode AMLCDs: A Path towards Scalable Two-Mask Array Designs", J. Soc. Info. Display 13/3, 199-204 (2005).
5. D. E. Castleberry, "Varistor-Controlled Liquid-Crystal Displays," IEEE Trans. Electron. Dev. ED-26, No. 8, 1-1128 (1979).
6. Display Search Report for ScanVue Technologies LLC (June 2003).
7. W. den Boer, G. S. Smith, W. C. Wang, L. Lin, H. Kang, S.J. Chen, and C.M Huang, "Low-Cost Dual-Select-Diode AMLCD Technology," SID Symposium Digest Tech Papers 37, 29-32 (2006).

圖一：DSD-LCD的切面圖及二極管的設(shè)計/剖面圖。

圖二：氮化硅(SiNX)二極管在200 nm SiNX厚度及改變N/S組成比例(x)下的特性量測。